JP2008006685A - 液滴噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電極間に電圧を印加するための電送系の構成を簡素化するとともに、噴射ノズルからの液滴噴射時に、非噴射ノズルからも液滴が噴射されてしまうのを防止することが可能な液滴噴射装置を提供すること。
【解決手段】インクジェットヘッド１の圧電アクチュエータ３は、複数の圧力室１４を覆う圧電層３１と、複数の圧力室１４に対応して異なる２方向にマトリックス状に配置された複数の第１電極３２及び複数の第２電極３４を備え、１列に配列された第１電極３２同士が互いに導通する一方で、１列に配列された第２電極３４同士も互いに導通している。そして、ドライバＩＣは、１列の第１電極３２に対して第１電位と第２電位の何れか一方を同時に付与するとともに、１列の第２電極３４に対して第１電位と第２電位とは異なる電位である、第３電位と第４電位の何れか一方を同時に付与する。
【選択図】図２

Description

本発明は、液滴を噴射する液滴噴射装置に関する。

複数のノズルからインクの液滴を噴射させるインクジェットヘッドは、一般的に、インクに噴射圧力を付与するためのアクチュエータを備えており、このようなアクチュエータとしては、圧電アクチュエータが広く用いられている。一般的な圧電アクチュエータは、圧電層とこの圧電層の両面にそれぞれ配置された１組の電極（第１電極及び第２電極）とを備えており、１組の電極間に電圧（電位差）が印加されたときの圧電層の変形によりインクに圧力を付与するように構成されている。

従来の圧電アクチュエータにおいては、複数のノズルに対応する複数組の電極に対してそれぞれ配線が独立して設けられており、これらの配線を介して複数組の電極間に所定の電圧が印加される。しかし、このような構成では、ノズル数が多くなるほどこれらのノズルに対応する配線の数も多くなり、その結果、電送系のコストが高くなるという問題があった。

一方で、従来から、インクジェットヘッドの分野において、２種類の電極が異なる２方向に沿ってマトリックス状に配置され、１列に配列された電極同士が互いに接続された構成を有するアクチュエータが知られている。例えば、特許文献１に記載されたインクジェットヘッドのアクチュエータは、異なる２方向に沿ってマトリックス状に配置された２種類の駆動電極（第１駆動電極と第２駆動電極）を備えている。ある方向に１列に配列された第１駆動電極同士は互いに接続され、それとは別の方向に１列に配列された第２駆動電極同士も互いに接続されており、１列の第１駆動電極と、１列の第２駆動電極には、それぞれ高電位（高電圧レベル）又はグランド電位（グランドレベル）の一方が同時に付与されるようになっている。そして、１組の第１駆動電極と第２駆動電極の両方にそれぞれ高電位が付与されたときに、この電極の組に対応するノズル（インクガイド）付近の電界強度が高くなり、負電位にバイアスされている対向電極が配置された記録媒体に向けて、ノズルからインクの液滴が噴射される。

特開２００４−５８５０５号公報

前述した圧電アクチュエータにおいても、電極に接続される配線の総数を減らすために、特許文献１に記載のアクチュエータと同じように、複数の第１電極及び複数の第２電極を異なる２方向に沿ってマトリックス状に配置して、ある方向に１列に配列された第１電極同士を互いに接続するとともに、別の方向に１列に配列された第２電極同士を接続することが考えられる。しかし、第１電極に選択的に付与される２種類の電位と第２電極に選択的に付与される２種類の電位が同じであると、所望の噴射ノズルのみからインクを噴射させることは不可能である。即ち、噴射ノズルに対応する第１電極を含む１列の第１電極に高電位を付与するとともに、噴射ノズルに対応する第２電極を含む１列の第２電極にグランド電位を付与して、噴射ノズルに対応する第１電極と第２電極の間に所定の電位差を生じさせたときに、一部の非噴射ノズルに対応する第１電極と第２電極の間にも噴射ノズルと同じ電位差が生じてしまい、この一部の非噴射ノズルからもインクの液滴が噴射されてしまう。

本発明の目的は、電極間に電圧を印加するための電送系の構成を簡素化するとともに、噴射ノズルから液滴が噴射される際に非噴射ノズルから液滴が噴射されてしまうのを防止することが可能な液滴噴射装置を提供することである。

第１の発明の液滴噴射装置は、液滴を噴射する複数のノズルと、ある平面に沿って配置されるとともに前記複数のノズルにそれぞれ連通する複数の圧力室を含む、液体流路が形成された流路ユニットと、前記複数の圧力室を覆うように配置され、電圧が印加されることによって変形する変形層と、この変形層に前記複数の圧力室にそれぞれ対応して設けられ、前記変形層に電圧を印加するための複数の第１電極及び複数の第２電極を備えたアクチュエータと、前記アクチュエータの前記複数の第１電極及び前記複数の第２電極にそれぞれ電位を付与する電位付与手段を備え、前記複数の第１電極と前記複数の第２電極はそれぞれ複数の組に分けられて、１つの組に属する前記第１電極同士が互いに導通する一方で、１つの組に属する前記第２電極同士が互いに導通しており、前記電位付与手段は、あるノズルから液滴を噴射させるタイミングで、１つの組に属する前記第１電極に対して、所定の第１電位と第２電位の何れか一方を同時に付与するとともに、１つの組に属する前記第２電極に対して、前記第１電位及び前記第２電位と異なる電位である、所定の第３電位と第４電位の何れか一方を同時に付与することを特徴とするものである。

この液滴噴射装置においては、変形層に配置された複数の第１電極と複数の第２電極はそれぞれ複数の組に分けられており、１つの組に属する第１電極同士が互いに導通する一方で、１つの組に属する第２電極同士が互いに導通している。また、電位付与手段により、１つの組に属する第１電極に対して所定の第１電位と第２電位の何れか一方が同時に付与されるとともに、１つの組に属する第２電極に対して、所定の第３電位と第４電位の何れか一方が同時に付与される。すると、第１電極と第２電極との間の電圧（電位差）に応じて変形層が変形し、この変形により圧力室内の液体に圧力が付与されて、圧力室に連通するノズルからインクを噴射させる。この構成によれば、１つの組に属する複数の電極が互いに接続されて同時に同じ電位が付与されるため、複数の電極に対してそれぞれ個別の配線を介して電位が付与される構成と比較して、電位付与手段の構成を簡単にするとともに配線数を大幅に減らすことができるなど、電送系の構成を簡素化してそのコストを低減できる。

さらに、第１電極に付与される第１電位及び第２電位と、第２電極に付与される第３電位及び第４電位は、全て異なる電位となっている。そのため、噴射ノズルに対応する第１電極と第２電極の間の電位差を、非噴射ノズルに対応する２つの電極の電位差と異ならせることができ、本来は液滴を噴射しないノズルから液滴が噴射されてしまうのを防止することが可能となる。

第２の発明の液滴噴射装置は、前記第１の発明において、前記複数の圧力室は、平面に沿って所定の第１方向とこの第１方向と交差する第２方向にマトリックス状に配置され、さらに、前記複数の第１電極及び前記複数の第２電極は、前記複数の圧力室にそれぞれ対応して前記第１方向と前記第２方向にマトリックス状に配置され、前記第１方向に１列に配列された前記第１電極同士が互いに導通する一方で、前記第２方向に１列に配列された前記第２電極同士が互いに導通しており、前記電位付与手段は、あるノズルから液滴を噴射させるタイミングで、前記第１方向に１列に配列された前記第１電極に対して、所定の第１電位と第２電位の何れか一方を同時に付与するとともに、前記第２方向に１列に配列された前記第２電極に対して、前記第１電位及び前記第２電位と異なる電位である、所定の第３電位と第４電位の何れか一方を同時に付与することを特徴とするものである。

この液滴噴射装置においては、ある平面に沿って２つの方向にマトリックス状に配置された複数の圧力室に対応して、変形層に複数の第１電極と複数の第２電極がそれぞれマトリックス状に配置されている。また、電位付与手段により、１列に配列された第１電極に対して所定の第１電位と第２電位の何れか一方が付与されるとともに、１列に配列された第２電極に対して、所定の第３電位と第４電位の何れか一方が付与される。この構成によれば、１列に配列された複数の電極が互いに接続されて同時に同じ電位が付与されるため、複数の電極に対してそれぞれ個別の配線を介して電位が付与される構成と比較して、電位付与手段の構成を簡単にするとともに配線数を大幅に減らすことができるなど、電送系の構成を簡素化してそのコストを低減できる。

第３の発明の液滴噴射装置は、前記第１又は第２の発明において、前記変形層は、圧電材料からなる層であることを特徴とするものである。第１電極と第２電極の間の電位差によって、圧電材料からなる変形層に電界が作用すると、変形層に電界の強さに応じた変形が生じる。そのため、噴射ノズルに対応する第１電極と第２電極の間の電位差を、非噴射ノズルに対応する２つの電極の電位差と異ならせることにより、本来は液滴を噴射しないノズルから、液滴が噴射されてしまうのを防止することが可能となる。

第４の発明の液滴噴射装置は、前記第１〜第３の何れかの発明において、前記第１〜第４電位は、電位の大きい方又は電位の小さい方から、第１電位、第３電位、第２電位、第４電位の順となるようにそれらの電位の大きさが設定されていることを特徴とするものである。この構成によれば、噴射ノズルに対応する２つの電極間の電位差（第１電位と第４電位の電位差）を、非噴射ノズルに対応する２つの電極間の電位差（第１電位と第３電位の電位差、第２電位と第３電位の電位差、及び、第２電位と第４電位の電位差）に対して十分に大きくすることが可能になる。

第５の発明の液滴噴射装置は、前記第４の発明において、前記第１電位と前記第４電位の電位差は、前記ノズルから液滴を噴射させるのに必要な噴射電位差以上の電位差であり、前記第１電位と前記第３電位の電位差、前記第２電位と前記第３電位の電位差、及び、前記第２電位と前記第４電位の電位差は、前記噴射電位差よりも小さい電位差であることを特徴とするものである。

この構成によれば、非噴射ノズルに対応する２つの電極間の電位差（第１電位と第３電位の電位差、第２電位と第３電位の電位差、及び、第２電位と第４電位の電位差）が、噴射電位差よりも小さいため、本来は液滴を噴射しないノズルから液滴が噴射されてしまうのが確実に防止される。また、非噴射ノズルにおいては、その内部の液体に噴射されない程度の圧力が作用してノズル内のメニスカスが振動するため、ノズル内の液体の乾燥（増粘）が防止される。これにより、非噴射状態が続くノズルであっても、噴射特性を安定化させることができる。

第６の発明の液滴噴射装置は、前記第５の発明において、前記第１電位と前記第４電位の電位差は、前記第１電位と前記第３電位の電位差、前記第２電位と前記第３電位の電位差、及び、前記第２電位と前記第４電位の電位差の、２．５倍以上であることを特徴とするものである。この構成によれば、本来は液滴を噴射しないノズルから液滴が噴射されてしまうのを防止できる。

第７の発明の液滴噴射装置は、前記第５の発明において、前記第１電位と前記第４電位の電位差は、前記第１電位と前記第３電位の電位差、前記第２電位と前記第３電位の電位差、及び、前記第２電位と前記第４電位の電位差の、３倍以上であることを特徴とするものである。この構成によれば、本来は液滴を噴射しないノズルから液滴が噴射されてしまうのを確実に防止できる。

第８の発明の液滴噴射装置は、前記第７の発明において、前記第１電位と前記第３電位の電位差、前記第２電位と前記第３電位の電位差、及び、前記第２電位と前記第４電位の電位差は互いに等しく、且つ、前記第１電位と前記第４電位の電位差の１／３であることを特徴とするものである。この構成によれば、非噴射ノズルに対応する２つの電極の電位差が、噴射ノズルに対応する２つの電極の電位差の１／３となるため、本来は液滴を噴射しないノズルから液滴が噴射されてしまうのを確実に防止できる。

第９の発明の液滴噴射装置は、前記第４〜第８の何れかの発明において、前記電位付与手段は、所定のノズルから液滴を噴射させるタイミングにおいて、前記所定のノズルに対応する前記第１電極を含む、所定の列に属する前記第１電極に対して前記第１電位を付与するとともに、前記所定の列以外の列に属する前記第１電極に対して前記第２電位を付与することを特徴とするものである。この構成によれば、噴射ノズルに対応する第１電極を含む１列の第１電極の全てに第１電位が付与され、それ以外の列の第１電極には第２電位が付与される。ここで、第１電位及び第２電位は、第２電極に付与される第３電位及び第４電位とは異なる電位であることから、非噴射ノズルに対応する第１電極と第２電極の間にもある程度の電位差が生じることになる。そのため、非噴射ノズルの内部の液体に液滴が噴射されない程度の圧力が作用してノズル内のメニスカスが振動することから、ノズル内の液体の乾燥が防止される。

第１０の発明の液滴噴射装置は、前記第４〜第９の何れかの発明において、前記第１電位と前記第４電位の一方が正の電位で他方が負の電位であることを特徴とするものである。この構成によれば、第１電位〜第４電位の４つの電位の絶対値を小さくすることができるため、電源のコストを低減することができる。また、電極電位とグランド電位との間の電位差が小さくなるため、給電用配線における安全性が増す。

第１１の発明の液滴噴射装置は、前記第１〜第１０の何れかの発明において、前記第１〜第４電位のうちの１つの電位がグランド電位であることを特徴とするものである。この構成によれば、電位の種類が少なくなるため、電位付与手段の構成を簡素化できる。

本発明の構成によれば、１組の第１電極が互いに導通し、さらに、１組の第２電極も互いに導通しているため、複数のノズル（圧力室）に対応する複数の電極に個別の配線を介して電位を付与する構成と比較して、電位付与手段の構成を簡単にするとともに配線数を大幅に減らして、電送系のコストを低減できる。これに加えて、噴射ノズルに対応する第１電極と第２電極の間の電位差を、非噴射ノズルに対応する２つの電極の電位差と異ならせて、本来は液滴を噴射しないノズルから液滴が噴射されてしまうのを防止することが可能となる。

本発明の実施の形態について説明する。本発明は、記録用紙に対してインクの液滴を噴射して所望の画像や文字等を記録するインクジェットヘッドに本発明を適用した一例である。

まず、本実施形態のインクジェットヘッドを備えたインクジェットプリンタについて簡単に説明する。図１に示すように、インクジェットプリンタ１００は、図１の左右方向に移動可能なキャリッジ２と、このキャリッジ２に設けられて記録用紙Ｐに対してインクを噴射するシリアル型のインクジェットヘッド１（液滴噴射装置）と、記録用紙Ｐを図１の前方へ搬送する搬送ローラ３と、インクジェットプリンタ１００の制御を司る制御装置４（図６参照）等を備えている。インクジェットヘッド１は、キャリッジ２と一体的に左右方向（走査方向）へ移動して、その下面に配置されたノズル２０（図２〜図５参照）から記録用紙Ｐに対してインクを噴射して所望の文字や画像等を記録する。また、インクジェットヘッド１により画像等が記録された記録用紙Ｐは、搬送ローラ３により前方（紙送り方向）へ排出される。

次に、インクジェットヘッドについて説明する。図２〜図５に示すように、インクジェットヘッド１は、ノズル２０及び圧力室１４を含むインク流路が形成された流路ユニット２と、この流路ユニット２の上面に配置されて、圧力室１４内のインクに噴射圧力を付与する圧電アクチュエータ３とを備えている。

まず、流路ユニット２について説明する。図４、図５に示すように、流路ユニット２はキャビティプレート１０、ベースプレート１１、マニホールドプレート１２、及びノズルプレート１３を備えており、これら４枚のプレート１０〜１３が積層状態で接合されている。このうち、キャビティプレート１０、ベースプレート１１及びマニホールドプレート１２はステンレス鋼製の板であり、これら３枚のプレート１０〜１２に、後述するマニホールド１７や圧力室１４等のインク流路をエッチングにより容易に形成することができるようになっている。また、ノズルプレート１３は、例えば、ポリイミド等の高分子合成樹脂材料により形成され、マニホールドプレート１２の下面に接着される。あるいは、このノズルプレート１３も、３枚のプレート１０〜１２と同様にステンレス鋼等の金属材料で形成されていてもよい。

図２〜図５に示すように、４枚のプレート１０〜１３のうち、最も上方に位置するキャビティプレート１０には、平面に沿って配列された複数の圧力室１４がプレート１０を貫通する孔により形成され、これら複数の圧力室１４は上下両側から後述の振動板３０及びベースプレート１１によりそれぞれ覆われている。複数の圧力室１４は、紙送り方向（図２の上下方向）に対して角度θをなして交差する方向（第１方向）に８列に配列されるとともに、紙送り方向（図２の上下方向：第２方向）に４列に配列されている。即ち、複数の圧力室１４は第１方向と第２方向の２つの方向に沿ってマトリックス状に配列されている。さらに、各圧力室１４は、平面視で走査方向（図２の左右方向）に長い、略楕円形状に形成されている。

図３に示すように、ベースプレート１１の、平面視で圧力室１４の両端部と重なる位置には、それぞれ連通孔１５，１６が形成されている。また、マニホールドプレート１２には、平面視で、紙送り方向に配列された圧力室１４の連通孔１５側の部分と重なるように、紙送り方向（図２の上下方向）に延びる３つのマニホールド１７が形成されている。これら３つのマニホールド１７は、後述の振動板３０に形成されたインク供給口１８に連通しており、図示しないインクタンクからインク供給口１８を介してマニホールド１７へインクが供給される。さらに、マニホールドプレート１２の、平面視で複数の圧力室１４のマニホールド１７と反対側の端部と重なる位置には、それぞれ、複数の連通孔１６に連なる複数の連通孔１９も形成されている。

さらに、ノズルプレート１３の、平面視で複数の連通孔１９にそれぞれ重なる位置には、複数のノズル２０が形成されている。図２に示すように、複数のノズル２０は、紙送り方向に沿って４列に配列された複数の圧力室１４の、マニホールド１７と反対側の端部とそれぞれ重なるように配置されている。また、複数のノズル２０は、３つのマニホールド１７の間の領域において紙送り方向（図２の上下方向）に均等間隔Ｐで配列されて、走査方向に並ぶ４列のノズル列２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄを構成している。また、４列のノズル列２１ａ〜２１ｄは、Ｐ／４ずつ紙送り方向下流側（図２の下方）へ順にずれている。従って、これら４列のノズル列２１ａ〜２１ｄにより、記録用紙Ｐに、紙送り方向にＰ／４の間隔で並ぶ複数のドットを形成することが可能となっている。

そして、図４に示すように、マニホールド１７は連通孔１５を介して圧力室１４に連通し、さらに、圧力室１４は、連通孔１６，１９を介してノズル２０に連通している。このように、流路ユニット２内には、マニホールド１７から圧力室１４を経てノズル２０に至る個別インク流路２５が複数形成されている。

次に、圧電アクチュエータ３について説明する。図２〜図５に示すように、圧電アクチュエータ３は、流路ユニット２の上面に配置された振動板３０と、この振動板３０の上面に複数の圧力室１４に跨って連続的に形成された圧電層３１（変形層）と、この圧電層３１の上面と下面の複数の圧力室１４と対向する領域にそれぞれ配置された複数の第１電極３２及び複数の第２電極３４を備えている。

振動板３０は、平面視で略矩形状の金属板であり、例えば、ステンレス鋼等の鉄系合金、銅系合金、ニッケル系合金、あるいは、チタン系合金などからなる。この振動板３０は、キャビティプレート１０の上面に複数の圧力室１４を覆うように配設されて、このキャビティプレート１０に接合されている。また、図４に示すように、この振動板３０の上面には、金属製の振動板３０と第２電極３４とを絶縁する絶縁層３８が設けられている。

振動板３０の上面には、チタン酸鉛とジルコン酸鉛との固溶体であり強誘電体であるチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を主成分とする、圧電材料からなる圧電層３１が形成されている。この圧電層３１は、複数の圧力室１４を覆うように連続的に形成されている。この圧電層３１は、例えば、非常に細かな粒子とキャリアガスとからなるエアロゾルを基板に対して吹き付けて粒子を堆積させる、エアロゾルデポジション法（ＡＤ法）や、スパッタ法、ＣＶＤ（化学蒸着）法などにより形成することができる。あるいは、ＰＺＴのグリーンシートを焼成することにより得られた圧電シートを振動板３０に貼り付けて形成することができる。

複数の第１電極３２は、圧電層３１の上面の、複数の圧力室１４と対向する領域にそれぞれ配置されている。また、複数の第２電極３４は、圧電層３１の下面の、複数の圧力室１４と対向する領域にそれぞれ配置されており、金属製の振動板３０とは絶縁層３８で絶縁されている。そして、図２に示すように、複数の第１電極３２と複数の第２電極３４は、複数の圧力室１４に対応して第１方向と第２方向に沿ってマトリックス状に配置されている。即ち、複数の第１電極３２は、それぞれが第１方向に並ぶ４つの電極からなる、８列の電極列（電極組）に分けられている。また、複数の第２電極３４は、それぞれが第２方向に並ぶ８つの電極からなる、４列の電極列（電極組）に分けられている。

図３、図５に示すように、各第１電極３２の圧力室１４の幅方向（図３の上下方向）に関する長さは、圧力室１４の幅よりも短くなっている。一方、図３、図４に示すように、各第２電極３４の圧力室１４の長手方向（図３の左右方向）に関する長さは、圧力室１４よりもやや短くなっている。そして、第１電極３２と第２電極３４に挟まれる圧電層３１の部分（電界が作用する活性部）は、平面視で、圧力室１４内に収まっている。

図２に示すように、第１方向に１列に配列された４つの第１電極３２同士がそれらの間の接続部３３により接続されて互いに導通しており、１列の第１電極３２から走査方向の一方（図２の右方）へ１本の配線３５が引き出されている。そして、８列の第１電極３２は８本の配線３５を介して後述のドライバＩＣ３９（図６参照）にそれぞれ接続されている。

また、図２に示すように、第２方向（紙送り方向）に１列に配列された８つの第２電極３４同士もそれらの間の接続部３６により接続されて互いに導通しており、１列の第２電極３４から紙送り方向の一方（図２の上方）へ１本の配線３７が引き出されている。そして、４列の第２電極３４は４本の配線３７を介してドライバＩＣ３９に接続されている。

図６に示すように、ドライバＩＣ３９（電位付与手段）は、後述する制御装置４からの指令に基づいて、ノズル２０からインクの液滴を噴射させるタイミングで、１列に配列された４つの第１電極３２に対して所定の２つの電位（第１電位Ｖ_１と第２電位Ｖ_２）の何れかを同時に付与するとともに、１列に配列された８つの第２電極３４に対して所定の２つの電位（第３電位Ｖ_３と第４電位Ｖ_４）の何れかを同時に付与する。

より具体的には、ドライバＩＣ３９は、インクを噴射するノズル２０に対応する第１電極３２を含む、所定の列に属する第１電極３２の全てに対して第１電位Ｖ_１を付与するとともに、前記所定の列以外の列に属する第１電極３２に対しては第２電位Ｖ_２を付与する。また、ドライバＩＣ３９は、インクを噴射するノズル２０に対応する第２電極３４を含む、所定の列に属する第２電極３４の全てに対して第４電位Ｖ_４を付与するとともに、前記所定の列以外の列に属する第２電極３４に対しては第３電位Ｖ_３を付与する。つまり、第１電極３２に第１電位Ｖ_１が付与されるとともに、第２電極３４に第４電位Ｖ_４が付与されたときには、これら第１電極３２と第２電極３４に対応するノズル２０からインクが噴射されるが、それ以外の電位の組み合わせのときには、ノズル２０からインクが噴射されないようになっている。４つの電位Ｖ_１〜Ｖ_４とインクの噴射／非噴射との関係については、後ほどさらに詳しく説明する。

次に、圧電アクチュエータ３のインクに対する圧力付与作用について説明する。ある圧力室１４に対応する第１電極３２と第２電極３４にそれぞれ所定の電位が付与されて、これら第１電極３２と第２電極３４との間にある電位差が生じたときには、第１電極３２と第２電極３４の間に挟まれた圧電層３１に電圧が印加されることになり厚み方向の電界が生じる。ここで、圧電層３１の分極方向と電界の方向とが同じ場合には、圧電層３１はその分極方向である厚み方向に伸びて水平方向に収縮する。このとき、この圧電層３１の収縮変形に伴って振動板３０が圧力室１４側に凸となるように撓むため、圧力室１４内の容積が減少して圧力室１４内のインクに圧力が付与されることになる。

ところで、第１電極３２と第２電極３４との間の電位差ΔＶと、ノズル２０から噴射されるインクの液滴速度との間には、図７に示すような関係が一般的に成立する。つまり、電位差ΔＶが大きいほど、圧力室１４内のインクには大きな圧力が付与され、高い液滴速度でインクが噴射される。そして、この図７の関係によれば、ノズル２０から所定の液滴速度ｖ_０（例えば、８〜９ｍ／ｓ程度）以上でインクの液滴を噴射するためには、ノズル２０に連通する圧力室１４内のインクにある所定の噴射圧力が付与されるように、噴射ノズルに対応する第１電極３２と第２電極３４との間の電位差を噴射電位差Ｖａ以上にすることが必要である。一方で、本来はインクを噴射しないノズル２０からインクが噴射されてしまうことがないように、この非噴射ノズルに対応する第１電極３２と第２電極３４との間の電位差は、液滴が噴射される最小電位差Ｖｂに対して十分に小さいことが好ましい。尚、液滴速度ｖ_０が８〜９ｍ／ｓ程度である場合には、最小電位差Ｖｂは噴射電位差Ｖａの１／２程度の値となる。

そこで、本実施形態では、ドライバＩＣ３９から第１電極３２と第２電極３４に付与される４つの電位Ｖ_１〜Ｖ_４は以下のように設定されている。図８に示すように、ドライバＩＣ３９から第１電極３２に付与される第１電位Ｖ_１及び第２電位Ｖ_２と、第２電極３４に付与される第３電位Ｖ_３及び第４電位Ｖ_４は、互いに異なる電位となっており、さらに、これら４つの電位Ｖ_１〜Ｖ_４の大小関係は、Ｖ_１＞Ｖ_３＞Ｖ_２＞Ｖ_４である。つまり、第１電極３２に付与される第１電位Ｖ_１及び第２電位Ｖ_２の２つの電位と、第２電極３４に付与される第３電位Ｖ_３及び第４電位Ｖ_４の２つの電位とが、交互に並ぶように設定されている。

従って、第１電極３２に第１電位Ｖ_１が付与されるとともに、第２電極３４に第４電位Ｖ_４が付与される場合に、第１電極３２と第２電極３４の電位差が最大となる。そして、この電位差Ａ（＝Ｖ_１−Ｖ_４）が図７の噴射電位差Ｖａ以上となるように第１電位Ｖ_１と第４電位Ｖ_４が設定されている。つまり、第１電極３２と第２電極３４の電位差が電位差Ａである場合にノズル２０からインクが噴射される。一方、電位差Ｂ（Ｖ_１−Ｖ_３）、電位差Ｃ（Ｖ_３−Ｖ_２）、及び、電位差Ｄ（Ｖ_２−Ｖ_４）は電位差Ａよりも小さくなる。そして、この電位差Ｂ、電位差Ｃ、及び、電位差Ｄが図７の最小電位差Ｖｂよりも小さくなるように、４つの電位Ｖ_１〜Ｖ_４が設定されている。つまり、第１電極３２と第２電極３４の間の電位差が電位差Ｂ、電位差Ｃ、電位差Ｄの何れかである場合には、ノズル２０からインクは噴射されない。

また、前述したように、ノズル２０からインクが噴射される最低電位差Ｖｂは、一般的な液滴速度（８〜９ｍ／ｓ程度）では噴射電位差Ｖａの１／２程度である。そのため、電位差Ａが、電位差Ｂ，Ｃ，Ｄの２倍程度であると、第１電極３２と第２電極３４の間の電位差が電位差Ｂ、電位差Ｃ、あるいは、電位差Ｄであるときにもインクが噴射されてしまう虞がある。そこで、電位差Ａは、電位差Ｂ，Ｃ，Ｄの２．５倍以上であることが好ましく、さらに、３倍以上であることがより好ましい。

このような４つの電位Ｖ_１〜Ｖ_４の一例を図８に示す。この例では、第１電位Ｖ_１は２４Ｖ、第２電位Ｖ_２は８Ｖ、第３電位Ｖ_３は１６Ｖ、そして、最も低い第４電位Ｖ_４はグランド電位（ＧＮＤ）に設定されている。従って、電位差Ａ（＝Ｖ_１−Ｖ_４）は２４Ｖ、電位差Ｂ（Ｖ_１−Ｖ_３）、電位差Ｃ（Ｖ_３−Ｖ_２）、及び、電位差Ｄ（Ｖ_２−Ｖ_４）はそれぞれ８Ｖとなり、電位差Ａの１／３となる。そのため、第１電極３２と第２電極３４の間の電位差が電位差Ｂ、電位差Ｃ、あるいは、電位差Ｄであるとき、即ち、対応するノズル２０から本来はインクを噴射しない場合に、そのノズル２０からインクが噴射されてしまうのが防止される。また、第４電位Ｖ_４をグランド電位とすることにより、実質的に電位の種類を３種類に減らすことができ、電極３２，３４に電位を付与するドライバＩＣ３９の構成を簡素化することができる。

尚、本実施形態では、あるノズル２０の噴射タイミングにおいて、インクを噴射しないノズル２０（非噴射ノズル）に対応する第１電極３２と第２電極３４の間にも電位差（電位差Ｂ，Ｃ，Ｄ）が生じることになる。そのため、非噴射ノズルに対応する圧力室１４の内部において、液滴が噴射されない程度の圧力がインクに作用し、ノズル２０内に形成されたメニスカスが振動する。ノズル２０内のインクは溶媒が蒸発すると空気との界面付近が増粘化（乾燥）するが、メニスカスが振動することでインクが撹拌されるため、増粘化が抑えられる。よって、非噴射状態が続くノズル２０であってもインクの増粘化が回避され、噴射特性を安定化させることができる。

次に、インクジェットヘッド１の電気的な構成について、制御装置４を中心に図６のブロック図を参照して説明する。制御装置４は、中央処理装置であるＣＰＵ（Central Processing Unit）と、プリンタ１００の全体動作を制御する為の各種プログラムやデータ等が格納されたＲＯＭ（Read Only Memory）と、ＣＰＵで処理されるデータ等を一時的に記憶するＲＡＭ（Random Access Memory）等を備えており、プリンタ１００の各種動作を制御するように構成されている。即ち、制御装置４は、ＰＣ等の入力装置５０から入力される印字データに基づいてドライバＩＣ３９を制御して、圧電アクチュエータ３の複数の第１電極３２に第１電位Ｖ_１と第２電位Ｖ_２の一方を付与するとともに、複数の第２電極３４に第３電位Ｖ_３と第４電位Ｖ_４の一方を付与することにより、インクジェットヘッド１の所望のノズル２０からインクを噴射させる。また、搬送ローラ３（図１参照）を駆動する搬送モータ４０を制御して、記録用紙Ｐを所定の送り量で搬送させる。

次に、ドライバＩＣ３９の電位制御について具体的に説明する。ここでは、図９に示す４つのノズル２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ（黒で塗りつぶされたノズル２０）から３回の噴射タイミングでインクを噴射させる場合を例に挙げる。即ち、最初の噴射タイミングではノズル２０ａから、次の噴射タイミングではノズル２０ｂとノズル２０ｃから、そして、最後の噴射タイミングではノズル２０ｄからインクを噴射させる。

ここで、説明の便宜上、第１方向に配列された第１電極３２の電位を、図９の上側の列から順にＶＡ１，ＶＡ２，ＶＡ３とする。一方、第２方向（紙送り方向）に配列された第２電極３４の電位を、図９の左側の列から順にＶＢ１，ＶＢ２，ＶＢ３とする。図１０に、３列の第１電極３２の電位ＶＡ１，ＶＡ２，ＶＡ３と、３列の第２電極３４の電位ＶＢ１，ＶＢ２，ＶＢ３の電位変化（パルス波形）をそれぞれ示す。この図１０において、Ｔ１は図９のノズル２０ａの噴射タイミング、Ｔ２はノズル２０ｂ及びノズル２０ｃの噴射タイミング、Ｔ３はノズル２０ｄの噴射タイミングである。さらに、図１１、図１２に、ｎ列目（ｎ＝１，２，３）の第１電極３２とｍ列目（ｍ＝１，２，３）の第２電極３４の電位差（ＶＡｎ−ＶＢｍ）を示す。

図１０に示すように、タイミングＴ１では、ドライバＩＣ３９は、ノズル２０ａに対応する第１電極３２を含む、１列目の第１電極３２の電位ＶＡ１を第１電位Ｖ_１（２４Ｖ）にするとともに、２列目及び３列目の第１電極３２の電位ＶＡ２，ＶＡ３を第２電位Ｖ_２（８Ｖ）にする。また、ノズル２０ａに対応する第２電極３４を含む、１列目の第２電極３４の電位ＶＢ１を第４電位Ｖ_４（ＧＮＤ）にするとともに、２列目、３列目の第２電極３４の電位ＶＢ２，ＶＢ３を第３電位Ｖ_３（１６Ｖ）にする。すると、図１１に示すように、ノズル２０ａに対応する第１電極３２と第２電極３４の間の電位差（ＶＡ１−ＶＢ１）が２４Ｖとなり、ノズル２０ａからインクが噴射されることになる。一方、図１１、図１２に示すように、その他のノズル２０に対応する第１電極３２と第２電極３４の間の電位差は全て８Ｖとなり、ノズル２０ａに対応する第１電極３２と第２電極３４の間の電位差の１／３で十分に小さく、これらのノズル２０からはインクが噴射されない。

次に、図１０に示すように、タイミングＴ２では、ドライバＩＣ３９は、２つのノズル２０ｂ，２０ｃに対応する２つの第１電極３２をそれぞれ含む、２列目の第１電極３２の電位ＶＡ２と３列目の第１電極３２の電位ＶＡ３を第１電位Ｖ_１（２４Ｖ）にするとともに、１列目の第１電極３２の電位ＶＡ１を第２電位Ｖ_２（８Ｖ）にする。また、ノズル２０ｂ，２０ｃに対応する２つの第２電極３４を含む、２列目の第２電極３４の電位ＶＢ２を第４電位Ｖ_４（ＧＮＤ）にするとともに、１列目、３列目の第２電極３４の電位ＶＢ１，ＶＢ３を第３電位Ｖ_３（１６Ｖ）にする。すると、図１１、図１２に示すように、２つのノズル２０ｂ，２０ｃに対応する第１電極３２と第２電極３４の間の電位差（ＶＡ２−ＶＢ２、ＶＡ３−ＶＢ２）のみが２４Ｖとなり、他のノズル２０に対応する第１電極３２と第２電極３４の間の電位差は全て８Ｖとなる。従って、２つのノズル２０ｂ，２０ｃのみからインクが噴射される。

さらに、図１０に示すように、タイミングＴ３では、ドライバＩＣ３９は、ノズル２０ｄに対応する第１電極３２を含む、２列目の第１電極３２の電位ＶＡ２を第１電位Ｖ_１（２４Ｖ）にするとともに、１列目、３列目の第１電極３２の電位ＶＡ１，ＶＡ３を第２電位Ｖ_２（８Ｖ）にする。また、ノズル２０ｄに対応する第２電極３４を含む、３列目の第２電極３４の電位ＶＢ３を第４電位Ｖ_４（ＧＮＤ）にするとともに、１列目、２列目の第２電極３４の電位ＶＢ１，ＶＢ２を第３電位Ｖ_３（１６Ｖ）にする。すると、図１１、図１２に示すように、ノズル２０ｄに対応する第１電極３２と第２電極３４の間の電位差（ＶＡ２−ＶＢ３）のみが２４Ｖとなり、他のノズル２０に対応する第１電極３２と第２電極３４の間の電位差は全て８Ｖとなる。従って、ノズル２０ｄのみからインクが噴射される。

以上説明したインクジェットヘッド１によれば、次のような効果が得られる。
第１方向に１列に配列された第１電極３２同士が互いに導通する一方で、第２方向に１列に配列された第２電極３４同士が互いに導通しており、１列に配列された複数の第１電極３２と複数の第２電極３４に対してドライバＩＣ３９は同時に同じ電位を付与する。そのため、複数の第１電極３２及び複数の第２電極３４に対応する配線がそれぞれ独立して設けられている場合に比べて、電位を付与するドライバＩＣ３９の構成を簡単にするとともに配線数を大幅に減らすことができるなど、電装系（ドライバＩＣ３９や、このドライバＩＣ３９と圧電アクチュエータ３とを電気的に接続する配線部材等）のコストを低減することが可能となる。

また、第１電極３２に付与される第１電位Ｖ_１及び第２電位Ｖ_２と、第２電極３４に付与される第３電位Ｖ_３及び第４電位Ｖ_４は、全て異なる電位となっている。そのため、噴射ノズルに対応する第１電極３２と第２電極３４の間の電位差を、非噴射ノズルに対応する２つの電極３２，３４の電位差と大きく異ならせることが可能となり（本実施形態では３倍）、噴射ノズルから液滴が噴射される際に、本来は液滴を噴射しないノズル２０からも液滴が噴射されてしまうのを防止することができる。

さらに、あるノズル２０の噴射タイミングにおいて、非噴射ノズルに対応する第１電極３２と第２電極３４の間には、噴射電位差よりも小さな電位差が生じる。つまり、非噴射ノズルに対応する圧力室１４の内部において、液滴が噴射されない程度の圧力がインクに作用することから、そのノズル２０内に形成されたメニスカスが振動してインクが攪拌される。そのため、ノズル２０内のインクの乾燥（増粘）が効果的に防止される。

次に、前記実施形態に種々の変更を加えた変更形態について説明する。但し、前記実施形態と同様の構成を有するものについては、同じ符号を付して適宜その説明を省略する。

図１３に示すように、４つの電位Ｖ_１〜Ｖ_４の大小関係が、Ｖ_４＞Ｖ_２＞Ｖ_３＞Ｖ_１であってもよい（変更形態１）。この場合でも、第１電極３２に第１電位Ｖ_１が付与されるとともに、第２電極３４に第４電位Ｖ_４が付与される場合に、第１電極３２と第２電極３４の電位差（電位差Ａ）が最大となり、対応するノズル２０からインクが噴射される。一方、それ以外の電位の組み合わせにおける第１電極３２と第２電極３４の電位差（電位差Ｂ，Ｃ，Ｄ）は、電位差Ａよりも十分に小さくなるため（電位差Ａの１／３）、対応するノズル２０からインクが噴射されてしまうことがない。

４つの電位Ｖ_１〜Ｖ_４が全て正の電位かグランド電位である必要は特になく、第１電位Ｖ_１と第４電位Ｖ_４の一方が正の電位で、他方が負の電位であってもよい。例えば、図１４に示すように、第１電位Ｖ_１のみが正の電位で、第３電位Ｖ_３がグランド電位、第２電位Ｖ_２及び第４電位Ｖ_４が負の電位であってもよい（変更形態２）。あるいは、図１５に示すように、第１電位Ｖ_１と第３電位Ｖ_３が正の電位で、第２電位Ｖ_２がグランド電位、第４電位Ｖ_４が負の電位であってもよい（変更形態３）。このように、４つの電位Ｖ_１〜Ｖ_４を正又は負の電位に割り振ることにより、４つの電位Ｖ_１〜Ｖ_４の絶対値を小さくすることができるため、電源のコストを低減することができる。また、電極３２，３４の電位とグランド電位との間の電位差が小さくなるため、給電用配線における安全性が増す。

また、前述の実施形態で示した例（図８参照）とは逆に、４つの電位Ｖ_１〜Ｖ_４が全て負の電位かグランド電位であってもよい。さらに、４つの電位Ｖ_１〜Ｖ_４のうちの１つの電位がグランド電位である必要は必ずしもなく、４つの電位が全て正又は負の電位であってもよい。

また、前記実施形態のインクジェットヘッド１は、複数の第１電極３２と複数の第２電極３４が、平面に沿って第１方向と第２方向に配列されて、２種類の電極３２，３４がマトリックス状に配置されているが（図２参照）、本発明の適用対象は、このような構成のインクジェットヘッドに限られない。

例えば、図１６に示すインクジェットヘッド６１のように、走査方向（左右方向）にほぼ沿うように複数のノズル２０と複数の圧力室１４とがそれぞれ蛇行して(千鳥状に)配置され、さらに、このように配置された圧力室１４に対応して第１電極３２も蛇行して配置されていてもよい（変更形態４）。この場合でも、蛇行して配置された１組（計４つ）の第１電極３２を互いに導通させることにより、前記実施形態と同様の作用・効果を得ることができる。

また、１列の圧力室列（ノズル列）のみを有するインクジェットヘッドにも本発明を適用できる（変更形態５）。例えば、図１７に示すインクジェットヘッド７１においては、複数のノズル２０と複数の圧力室１４とがマニホールド１７の延在方向（図１７の上下方向）に沿って１列に配置されている。

また、圧電層３１の上面の複数の第１電極３２は複数の圧力室１４に対応して１列に配置され、さらに、１つおきに配置された計４つの第１電極３２により１つの電極組が構成されて、複数の第１電極３２は２つの電極組に分けられている。そして、各組に属する４つの第１電極３２同士は配線７５を介して互いに導通している。一方、圧電層３１の下面の複数の第２電極３４も複数の圧力室１４に対応して１列に配置され、さらに、互いに隣接する２つの第２電極３４により１つの電極組が構成されて、複数の第２電極３４が４つの電極組に分けられている。そして、各組に属する２つの第２電極３４同士が互いに導通している。この構成においても、１つの組に属する複数の電極３２，３４が互いに導通していることから、前記実施形態と同様の作用・効果を得ることができる。

また、インクに噴射圧力を付与するアクチュエータは圧電アクチュエータに限られるものではない。つまり、アクチュエータは、印加された電圧に応じて変形する変形層とこの変形層に電圧を印加するための２種類の電極を有するものであればよい。従って、他の種類のアクチュエータ（例えば、静電アクチュエータなど）を備えたインクジェットヘッドにも本発明を適用することが可能である。

さらに、インクを噴射するインクジェットヘッド以外の液滴噴射装置に本発明を適用することもできる。例えば、導電ペーストを噴射して基板上に微細な配線パターンを形成したり、あるいは、有機発光体を基板に噴射して高精細ディスプレイを形成したり、さらには、光学樹脂を基板に噴射して光導波路等の微小光学デバイスを形成する際などに用いられる、種々の液滴噴射装置に本発明を適用できる。

本発明の実施形態に係るインクジェットプリンタの概略構成図である。 インクジェットヘッドの平面図である。 図２の一部拡大図である。 図３のIV-IV線断面図である。 図３のV-V線断面図である。 インクジェットプリンタの電気的な構成を示すブロック図である。 第１電極と第２電極の電位差ΔＶと液滴速度ｖの関係を概略的に示すグラフである。 ４つの電位Ｖ_１〜Ｖ_４の関係を示す図である。 噴射ノズルの位置を例示する図である。 第１電極と第２電極の電位変化をそれぞれ示すパルス波形図である。 一部の第１電極と第２電極の電位差を示す図である。 残りの第１電極と第２電極の電位差を示す図である。 変更形態１における第１電極と第２電極の電位変化をそれぞれ示すパルス波形図である。 変更形態２における第１電極と第２電極の電位変化をそれぞれ示すパルス波形図である。 変更形態３における第１電極と第２電極の電位変化をそれぞれ示すパルス波形図である。 変更形態４のインクジェットヘッドの平面図である。 変更形態５のインクジェットヘッドの平面図である。

符号の説明

１，６１，７１ インクジェットヘッド
２ 流路ユニット
３ 圧電アクチュエータ
１４ 圧力室
２０ ノズル
３１ 圧電層（変形層）
３２ 第１電極
３４ 第２電極
３９ ドライバＩＣ（電位付与手段）

Claims (11)

1. 液滴を噴射する複数のノズルと、ある平面に沿って配置されるとともに前記複数のノズルにそれぞれ連通する複数の圧力室を含む、液体流路が形成された流路ユニットと、
   前記複数の圧力室を覆うように配置され、電圧が印加されることによって変形する変形層と、この変形層に前記複数の圧力室にそれぞれ対応して設けられ、前記変形層に電圧を印加するための複数の第１電極及び複数の第２電極を備えたアクチュエータと、
   前記アクチュエータの前記複数の第１電極及び前記複数の第２電極にそれぞれ電位を付与する電位付与手段を備え、
   前記複数の第１電極と前記複数の第２電極はそれぞれ複数の組に分けられて、１つの組に属する前記第１電極同士が互いに導通する一方で、１つの組に属する前記第２電極同士が互いに導通しており、
   前記電位付与手段は、あるノズルから液滴を噴射させるタイミングで、１つの組に属する前記第１電極に対して、所定の第１電位と第２電位の何れか一方を同時に付与するとともに、１つの組に属する前記第２電極に対して、前記第１電位及び前記第２電位と異なる電位である、所定の第３電位と第４電位の何れか一方を同時に付与することを特徴とする液滴噴射装置。
2. 前記複数の圧力室は、平面に沿って所定の第１方向とこの第１方向と交差する第２方向にマトリックス状に配置され、
   さらに、前記複数の第１電極及び前記複数の第２電極は、前記複数の圧力室にそれぞれ対応して前記第１方向と前記第２方向にマトリックス状に配置され、
   前記第１方向に１列に配列された前記第１電極同士が互いに導通する一方で、前記第２方向に１列に配列された前記第２電極同士が互いに導通しており、
   前記電位付与手段は、あるノズルから液滴を噴射させるタイミングで、前記第１方向に１列に配列された前記第１電極に対して、所定の第１電位と第２電位の何れか一方を同時に付与するとともに、前記第２方向に１列に配列された前記第２電極に対して、前記第１電位及び前記第２電位と異なる電位である、所定の第３電位と第４電位の何れか一方を同時に付与することを特徴とする請求項１に記載の液滴噴射装置。
3. 前記変形層は、圧電材料からなる層であることを特徴とする請求項１又は２に記載の液滴噴射装置。
4. 前記第１〜第４電位は、電位の大きい方又は電位の小さい方から、第１電位、第３電位、第２電位、第４電位の順となるようにそれらの電位の大きさが設定されていることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の液滴噴射装置。
5. 前記第１電位と前記第４電位の電位差は、前記ノズルから液滴を噴射させるのに必要な噴射電位差以上の電位差であり、
   前記第１電位と前記第３電位の電位差、前記第２電位と前記第３電位の電位差、及び、前記第２電位と前記第４電位の電位差は、前記噴射電位差よりも小さい電位差であることを特徴とする請求項４に記載の液滴噴射装置。
6. 前記第１電位と前記第４電位の電位差は、前記第１電位と前記第３電位の電位差、前記第２電位と前記第３電位の電位差、及び、前記第２電位と前記第４電位の電位差の、２．５倍以上であることを特徴とする請求項５に記載の液滴噴射装置。
7. 前記第１電位と前記第４電位の電位差は、前記第１電位と前記第３電位の電位差、前記第２電位と前記第３電位の電位差、及び、前記第２電位と前記第４電位の電位差の、３倍以上であることを特徴とする請求項５に記載の液滴噴射装置。
8. 前記第１電位と前記第３電位の電位差、前記第２電位と前記第３電位の電位差、及び、前記第２電位と前記第４電位の電位差は互いに等しく、且つ、前記第１電位と前記第４電位の電位差の１／３であることを特徴とする請求項７に記載の液滴噴射装置。
9. 前記電位付与手段は、所定のノズルから液滴を噴射させるタイミングにおいて、前記所定のノズルに対応する前記第１電極を含む、所定の列に属する前記第１電極に対して前記第１電位を付与するとともに、前記所定の列以外の列に属する前記第１電極に対して前記第２電位を付与することを特徴とする請求項４〜８の何れかに記載の液滴噴射装置。
10. 前記第１電位と前記第４電位の一方が正の電位で他方が負の電位であることを特徴とする請求項４〜９の何れかに記載の液滴噴射装置。
11. 前記第１〜第４電位のうちの１つの電位がグランド電位であることを特徴とする請求項１〜１０の何れかに記載の液滴噴射装置。

Images